基于自适应控制的电驱动全套管全回转钻机系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自适应控制的电驱动全套管全回转钻机系统及方法，钻机系统包括动力部分、以及分别与动力部分相连的钻进部分、液压部分，动力部分采用电驱动力供给方式，包括发电机控制器、第一供电部、第二供电部、第三供电部以及电网控制柜；发动机控制器内集成有自适应功率分配控制模块，所述第一供电部、第二供电部、第三供电部分别与发电机控制器相连，发电机控制器与电网控制柜相连，电网控制柜构成动力部分的供电输出端；自适应功率分配控制模块分别与第一供电部、第二供电部、第三供电部相连，并用于控制三个供电部的功率分配。由此可见，本发明专利技术采用自适应功率分配方式控制钻机供电的功率分配，达到最优能效。达到最优能效。达到最优能效。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应控制的电驱动全套管全回转钻机系统及方法


[0001]本专利技术专利涉及工程机械及控制方法领域，具体是一种以电机为主动力的自适应控制的全套管全回转钻机系统及其自适应控制方法。

技术介绍

[0002]目前全套管全回转钻机采用的基本都是柴油发动机驱动油泵，油泵驱动液压马达，液压马达再驱动传动机构实现钻机的打桩成桩功能。由于钻机使用柴油机提供动力，就存在着发动机能效低，排放高、噪音大的缺点，不符合节能排降的宗旨。并且现有的全套管全回转钻机并不能根据实时工况控制电机扭矩以及油缸压力，确保钻机始终工作在最优状态，实现高效钻进，时常会出现卡钻、动力头损伤等问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种电驱动全套管全回转钻机系统 ，以解决现有技术中的发动机能效低、钻机工作状态不稳定等问题。
[0004]随着科技发展，国家对节能环保要求越来越高，伺服电机替代柴油发动机的优势愈加明显，为此我们专利技术了一种电驱动全套管全回转钻机电驱系统代替原来的柴油发动机动力系统，并自适应分配电网、发电机、主机电瓶输出功率分配，实现节能降排。同时采用自适应控制方法控制钻机系统，根据实时工况控制电机扭矩以及油缸压力，确保钻机始终工作在最优状态，实现高效钻进，也避免了卡钻、动力头损伤等问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于自适应控制的电驱动全套管全回转钻机系统，包括动力部分、以及分别与动力部分相连的钻进部分、液压部分，所述动力部分采用电驱动力供给方式，包括发电机控制器、第一供电部、第二供电部、第三供电部以及电网控制柜；所述发电机控制器内集成有自适应功率分配控制模块，其中：所述第一供电部、第二供电部、第三供电部分别与发电机控制器相连，所述发电机控制器与电网控制柜相连，所述电网控制柜构成动力部分的供电输出端；所述自适应功率分配控制模块分别与第一供电部、第二供电部、第三供电部相连，并用于控制三个供电部的功率分配。
[0006]优选地，所述第一供电部包括电网以及与之相连的高压电管理单元，所述高压电管理单元构成第一供电部输出端；所述第二供电部包括柴油机以及与之相连的发电机，所述发电机构成第二供电部输出端；所述第三供电部包括主机电瓶，所述主机电瓶为第三供电部输出端。
[0007]优选地，所述自适应功率分配控制模块包括第一功率采集模块、第一电瓶功率判断模块、第二功率采集模块、第三功率采集模块、第二电瓶功率判断模块、第三电瓶功率判断模块以及供电执行模块，其中：所述的第一功率采集模块，用于采集电网控制柜的输出功率，并反馈至第一电瓶
功率判断模块；所述的第一电瓶功率判断模块，根据第一功率采集模块所采集到的电网控制柜的输出功率，判断电网是否接入；所述的第二功率采集模块，用于采集电网的输出功率、发电机的输出功率、主机电瓶的输出功率以及主机电瓶剩余电量，并反馈至第二电瓶功率判断模块；所述的第三功率采集模块，用于采集发电机的输出功率、主机电瓶的输出功率以及主机电瓶剩余电量，并反馈至第三电瓶功率判断模块；所述的自适应功率分配控制模块，根据第一电瓶功率判断模块的判断结果来分别触发第二电瓶功率判断模块、第三电瓶功率判断模块：当第一电瓶功率判断模块的判断结果表明电网处于接入状态时，触发第二电瓶功率判断模块，反之则触发第三电瓶功率判断模块；所述供电执行模块，根据第二、第三电瓶功率判断模块的判断结果输出对应的供电执行指令；所述的第二电瓶功率判断模块根据第二功率采集模块中所采集到的主机电瓶剩余电量来判断主机电瓶剩余电量比是否处于第二电瓶功率判断模块内预设的阈值范围A内：当判断结果表明主机电瓶剩余电量比处于阈值范围A内时，触发供电执行模块输出第一供电执行指令；反之，则触发供电执行模块输出第二供电执行指令；所述的第三电瓶功率判断模块包括有三个子电瓶功率判断模块，对应为子电瓶功率判断模块A、子电瓶功率判断模块B、子电瓶功率判断模块C；子电瓶功率判断模块A根据第三功率采集模块中所采集到的主机电瓶剩余电量来判断主机电瓶剩余电量比是否处于子电瓶功率判断模块A内预设的阈值范围B内：当判断结果表明主机电瓶剩余电量比处于阈值范围B内时，触发供电执行模块输出第三供电执行指令；反之则触发子电瓶功率判断模块B；子电瓶功率判断模块B根据第三功率采集模块中所采集到的主机电瓶剩余电量来判断主机电瓶剩余电量比是否处于子电瓶功率判断模块B内预设的阈值范围C内：当判断结果表明主机电瓶剩余电量比处于阈值范围C内时，触发供电执行模块输出第四供电执行指令；反之则触发子电瓶功率判断模块C；子电瓶功率判断模块C根据第三功率采集模块中所采集到的主机电瓶剩余电量来判断主机电瓶剩余电量比是否处于子电瓶功率判断模块C内预设的阈值范围D内：当判断结果表明主机电瓶剩余电量比处于阈值范围D内时，触发供电执行模块输出第五供电执行指令；反之则触发供电执行模块输出第六供电执行指令；在第一供电执行指令的控制下，仅电网处于供电模式，电网的输出功率=电网控制柜的输出功率，主机电瓶、发电机均停止工作；在第二供电执行指令的控制下，仅电网处于供电模式，且主机电瓶处于充电模式，电网的输出功率=电网控制柜的输出功率+主机电瓶的输入功率，发电机停止工作；在第三供电执行指令的控制下，仅主机电瓶处于供电模式，主机电瓶的输出功率=电网控制柜的输出功率，发电机停止工作；在第四供电执行指令的控制下，主机电瓶、发电机均处于供电模式，主机电瓶的输出功率为：电网控制柜的输出功率*主机电瓶剩余电量比，发电机的输出功率为：电网控制柜的输出功率*（1
‑
主机电瓶剩余电量比）；
在第五供电执行指令的控制下，发电机处于供电模式，主机电瓶输出功率=电网控制柜输出功率；发电机输出功率=额定运行功率；在第六供电执行指令的控制下，发电机处于供电模式，而主机电瓶处于充电模式，电网控制柜的输出功率=0，钻机停机。
[0008]优选地，所述钻进部分包括自适应钻进扭矩控制模块、第一至第四电机控制模块、电机M1至M4、动力传动机构以及动力头；其中：电网控制柜的供电输出端分别通过第一至第四电机控制模块一一对应地与电机M1至M4相连；电机M1至M4均各自通过一个动力传动机构与动力头联动连接，用于协同驱动动力头旋转；所述的电机M1至M4中，两两为一组，对称分布在动力头的两侧；各动力传动机构的动力输出端的轴向均与所述动力头的轴向相垂直；所述第一至第四电机控制模块分别构成钻进部分的供电输入端，分别与电网控制柜的供电输出端对应连接；所述的自适应钻进扭矩控制模块用于向第一至第四电机控制模块输出指令，分别与第一至第四电机控制模块相连。
[0009]优选地，所述的自适应钻进扭矩控制模块包括电机转速采集模块、电机转速判断模块、电机扭矩采集模块、电机扭矩判断模块以及电机扭矩执行模块；所述的电机转速判断模块有两个，对应为第一、第二电机转速判断模块；所述的电机扭矩判断模块包括两个，对应为第一、第二电机扭矩判断模块；其中：所述的电机转速采集模块，用于采集电机M1至M4的转速，并输出至第一电机转速判断模块；所述的电机扭矩采集模块，用于采集电机M本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应控制的电驱动全套管全回转钻机系统，包括动力部分、以及分别与动力部分相连的钻进部分、液压部分，其特征在于，所述动力部分采用电驱动力供给方式，包括发电机控制器、第一供电部、第二供电部、第三供电部以及电网控制柜；所述发电机控制器内集成有自适应功率分配控制模块，其中：所述第一供电部、第二供电部、第三供电部分别与发电机控制器相连，所述发电机控制器与电网控制柜相连，所述电网控制柜构成动力部分的供电输出端；所述自适应功率分配控制模块分别与第一供电部、第二供电部、第三供电部相连，并用于控制三个供电部的功率分配。2.根据权利要求1所述的基于自适应控制的电驱动全套管全回转钻机系统，其特征在于，所述第一供电部包括电网以及与之相连的高压电管理单元，所述高压电管理单元构成第一供电部输出端；所述第二供电部包括柴油机以及与之相连的发电机，所述发电机构成第二供电部输出端；所述第三供电部包括主机电瓶，所述主机电瓶为第三供电部输出端。3.根据权利要求2所述的基于自适应控制的电驱动全套管全回转钻机系统，其特征在于，所述自适应功率分配控制模块包括第一功率采集模块、第一电瓶功率判断模块、第二功率采集模块、第三功率采集模块、第二电瓶功率判断模块、第三电瓶功率判断模块以及供电执行模块，其中：所述的第一功率采集模块，用于采集电网控制柜的输出功率，并反馈至第一电瓶功率判断模块；所述的第一电瓶功率判断模块，根据第一功率采集模块所采集到的电网控制柜的输出功率，判断电网是否接入；所述的第二功率采集模块，用于采集电网的输出功率、发电机的输出功率、主机电瓶的输出功率以及主机电瓶剩余电量，并反馈至第二电瓶功率判断模块；所述的第三功率采集模块，用于采集发电机的输出功率、主机电瓶的输出功率以及主机电瓶剩余电量，并反馈至第三电瓶功率判断模块；所述的自适应功率分配控制模块，根据第一电瓶功率判断模块的判断结果来分别触发第二电瓶功率判断模块、第三电瓶功率判断模块：当第一电瓶功率判断模块的判断结果表明电网处于接入状态时，触发第二电瓶功率判断模块，反之则触发第三电瓶功率判断模块；所述供电执行模块，根据第二、第三电瓶功率判断模块的判断结果输出对应的供电执行指令；所述的第二电瓶功率判断模块根据第二功率采集模块中所采集到的主机电瓶剩余电量来判断主机电瓶剩余电量比是否处于第二电瓶功率判断模块内预设的阈值范围A内：当判断结果表明主机电瓶剩余电量比处于阈值范围A内时，触发供电执行模块输出第一供电执行指令；反之，则触发供电执行模块输出第二供电执行指令；所述的第三电瓶功率判断模块包括有三个子电瓶功率判断模块，对应为子电瓶功率判断模块A、子电瓶功率判断模块B、子电瓶功率判断模块C；子电瓶功率判断模块A根据第三功率采集模块中所采集到的主机电瓶剩余电量来判断主机电瓶剩余电量比是否处于子电瓶功率判断模块A内预设的阈值范围B内：当判断结果表明主机电瓶剩余电量比处于阈值范围B内时，触发供电执行模块输出第三供电执行指令；反之则触发子电瓶功率判断模块B；子电瓶功率判断模块B根据第三功率采集模块中所采集到
的主机电瓶剩余电量来判断主机电瓶剩余电量比是否处于子电瓶功率判断模块B内预设的阈值范围C内：当判断结果表明主机电瓶剩余电量比处于阈值范围C内时，触发供电执行模块输出第四供电执行指令；反之则触发子电瓶功率判断模块C；子电瓶功率判断模块C根据第三功率采集模块中所采集到的主机电瓶剩余电量来判断主机电瓶剩余电量比是否处于子电瓶功率判断模块C内预设的阈值范围D内：当判断结果表明主机电瓶剩余电量比处于阈值范围D内时，触发供电执行模块输出第五供电执行指令；反之则触发供电执行模块输出第六供电执行指令；在第一供电执行指令的控制下，仅电网处于供电模式，电网的输出功率=电网控制柜的输出功率，主机电瓶、发电机均停止工作；在第二供电执行指令的控制下，仅电网处于供电模式，且主机电瓶处于充电模式，电网的输出功率=电网控制柜的输出功率+主机电瓶的输入功率，发电机停止工作；在第三供电执行指令的控制下，仅主机电瓶处于供电模式，主机电瓶的输出功率=电网控制柜的输出功率，发电机停止工作；在第四供电执行指令的控制下，主机电瓶、发电机均处于供电模式，主机电瓶的输出功率为：电网控制柜的输出功率*主机电瓶剩余电量比，发电机的输出功率为：电网控制柜的输出功率*（1
‑
主机电瓶剩余电量比）；在第五供电执行指令的控制下，发电机处于供电模式，主机电瓶输出功率=电网控制柜输出功率；发电机输出功率=额定运行功率；在第六供电执行指令的控制下，发电机处于供电模式，而主机电瓶处于充电模式，电网控制柜的输出功率=0，钻机停机。4.根据权利要求2或3所述的基于自适应控制的电驱动全套管全回转钻机系统，其特征在于，所述钻进部分包括自适应钻进扭矩控制模块、第一至第四电机控制模块、电机M1至M4、动力传动机构以及动力头；其中：电网控制柜的供电输出端分别通过第一至第四电机控制模块一一对应地与电机M1至M4相连；电机M1至M4均各自通过一个动力传动机构与动力头联动连接，用于协同驱动动力头旋转；所述的电机M1至M4中，两两为一组，对称分布在动力头的两侧；各动力传动机构的动力输出端的轴向均与所述动力头的轴向相垂直；所述第一至第四电机控制模块分别构成钻进部分的供电输入端，分别与电网控制柜的供电输出端对应连接；所述的自适应钻进扭矩控制模块用于向第一至第四电机控制模块输出指令，分别与第一至第四电机控制模块相连。5.根据权利要求4所述的基于自适应控制的电驱动全套管全回转钻机系统，其特征在于，所述的自适应钻进扭矩控制模块包括电机转速采集模块、电机转速判断模块、电机扭矩采集模块、电机扭矩判断模块以及电机扭矩执行模块；所述的电机转速判断模块有两个，对应为第一、第二电机转速判断模块；所述的电机扭矩判断模块包括两个，对应为第一、第二电机扭矩判断模块；其中：所述的电机转速采集模块，用于采集电机M1至M4的转速，并输出至第一电机转速判断模块；
所述的电机扭矩采集模块，用于采集电机M1至M4的扭矩，并反馈至第一电机扭矩判断模块；所述的第一电机转速判断模块，用于判断平均转速N和给定转速N0差的绝对值｜N
‑
N0｜是否小于N0*0.5%；当判断结果表明｜N
‑
N0｜＜N0*0.5%时，触发第一电机扭矩判断模块，反之则触发第二电机转速判断模块；其中：平均转速N根据所接收到的电机M1至M4的转速计算得出；所述的第二电机转速判断模块，用于判断平均转速N是否小于给定转速N0，当判断结果表明N＜N0时，通过电机扭矩执行模块输出第一电机扭矩执行指令，反之则通过电机扭矩执行模块输出第二电机扭矩执行指令；所述的电机M1至M4，在第一电机扭矩执行指令的控制下，同时增加电机M1至M4的扭矩，增加幅度为给定扭矩N0的1%；所述的电机M1至M4，在第二电机扭矩执行指令的控制下，同时减小电机M1至M4的扭矩，减小幅度为给定扭矩N0的1%；所述的第一电机扭矩判断模块，用于判断平均扭矩T和任一电机M
i
的扭矩T
i
的差的绝对值｜T
‑
T
i
｜是否小于T*5%，其中i=1、2、3、4；平均扭矩T根据所接收到的电机M1至M4的扭矩计算而得；当判断结果表明｜T
‑
T
i
｜＜T*5%，通过电机扭矩执行模块输出第三电机扭矩执行指令；反之则触发第二电机扭矩判断模块；所述的电机M1至M4，在第三电机扭矩执行指令的控制下，电机M1至M4的扭矩为给定扭矩N0；所述的第二电机扭矩判断模块，用于判断平均扭矩T是否小于任一电机M
i
的扭矩T
i
，当判断结果表明T＜T
i
时，通过电机扭矩执行模块输出第四电机扭矩执行指令，反之则通过电机扭矩执行模块输出第五电机扭矩执行指令；所述的电机M1至M4，在第四电机扭矩执行指令的控制下，下调对应电机M
i
的扭矩，下调幅度为给定扭矩N0的1%；所述的电机M1至M4，在第五电机扭矩执行指令的控制下，增加对应电机M
i
的扭矩，增加幅度为给定扭矩N0的1%。6.根据权利要求5所述的一种电驱动全套管全回转钻机系统，其特征在于，各个电机控制模块包括断路器、以及与断路器依次相连的接触器、电抗器、电机驱动器、驱动电阻；所述电机驱动器构成电机控制模块的输出端。7.根据权利要求6所述的基于自适应控制的电驱动全套管全回转钻机系统，其特征在于，所述液压部分包括自适应油缸压力控制模块、以及与所述自适应油缸压力控制模块相连的第五电机控制模块，自适应油缸压力控制模块用于输出指令至第五电机控制模块；所述第五电机控制模块依次与电机M5、液压油泵、液压马达相连，并用于控制电机M5驱动液压油泵、带动液压马达；所述液压油泵与油缸控制阀组总成相连，所述油缸控制阀组总成分别与起拔油缸、上夹紧油缸、下夹紧油缸、调平油缸连接，且所述起拔油缸包含4个油缸，所述上夹紧油缸包含2个油缸，所述下夹紧油缸包含2个油缸，所述调平油缸包含4个油缸；所述第五电机控制模块构成液压部分的供电输入端；所述的自适应油缸压力控制模块，包括油缸压力采集模块、电机倾角采集模块、夹紧油缸压力判断模块、夹紧油缸压力执行模块、电机倾角判断模块、调平油缸位移计算模块以及调平油缸压力执行模块，夹紧油缸压力判断模块包括两个，对应为第一、第二夹紧油缸压力判断模块，其中：所述的油缸压力采集模块，能够分别采集起拔油缸、上夹紧油缸、下夹紧油缸、调平油
缸的压力，并能够将所采集到的上夹紧油缸、下夹紧油缸的压力传输至第一夹紧油缸压力判断模块，能够将所采集到的调平油缸的压力传输至调平油缸位移计算模块；所述的电机倾角采集模块，用于采集电机M1至M4的倾角，并将所采集到的数值传输至电机倾角判断模块；所述的第一夹紧油缸压力判断模块，用于判断上夹紧油缸的压力F
上夹
与下夹紧油缸的压力F
下夹
的压力的差的绝对值｜F
上夹
‑
F
下夹
｜是否大于平均压力值F
上下平均
*10%，平均压力值F
上下平均
为油缸压力采集模块所反馈的压力F
上夹
与压力F
下夹
的平均值；当判断结果表明｜F
上夹
‑
F
下夹
｜>F
上下平均
*10%时，触发第二夹紧油缸压力判断模块，反之，则通过夹紧油缸压力执行模块发出第一夹紧油缸压力执行指令，并触发电机倾角判断模块；所述的第二夹紧油缸压力判断模块，用于比较压力F
起拔
与压力F
下夹
的大小，当比较结果表明F
上夹
>F
下夹
时，通过夹紧油缸压力执行模块发出第二夹紧油缸压力执行指令，反之则通过夹紧油缸压力执行模块发出第三夹紧油缸压力执行指令；上夹紧油缸、下夹紧油缸在第一夹紧油缸压力执行指令的控制下，维持压力F
上夹
、F
下夹
不变；上夹紧油缸、下夹紧油缸在第二夹紧油缸压力执行指...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫，王颖杰，江城树，魏垂勇，陈小青，卢昊，陈国安，刘海媛，王从明，顾齐齐，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：